简析集成运算放大器的发展及典型精典应用电路.docx

模拟电子技术科技小论文简析集成运算放大器的发展及典型精典应用电路姓名：学院：电子工程学院专业：电子信息工程班级：2016级5班指导老师：一、集成运算放大器的发展历史及现状1934年的某天，哈里布莱克（HarryBlack）搭渡从他家所在的纽约到贝尔实验室所在的新泽西去上班。渡船舒缓了他那紧张的神经，使得他可以做一些概念性的思考。哈里有个难题要解决：当电话线延伸得很长时，信号需要放大。但放大器是如此的不可靠，使得服务质量受到严重制约。首先，初始增益误差很大，但这个问题很快就通过使用一个调节器解决了。第二，即使放大器在出厂时调节好了，但是在现场应用的时候，增益的大范围漂移使得音量太低或者输入的语音失真。为了制造一个稳定的放大器，很多的方法都尝试过了，但是变化的温度和极差的电话线供电状况所导致的增益漂移，一直难以克服。被动元件比主动元件有更好的漂移特性，如果放大器的增益取决于被动元件的话，问题不就解决了吗？在这次搭渡途中，哈里构思了这样一个新奇的解决方法，并记录了下来。这个方法首先需要制造一个增益比实际应用所需增益要大的放大器，然后将部分的输出信号反馈到输入端，使得电路（包括放大器和反馈元件）增益取决于反馈回路而不是放大器本身。这样，电路增益也就取决于被动的反馈元件而不是主动的放大器，这叫做负反馈，是现代运算放大器的工作原理。哈里在渡船上记录了史上第一个有意设计的反馈电路，但是我们可以肯定在这之前，有人曾无意构建过反馈电路，只不过忽视了它的效果而已。起初，管理层和放大器设计者有很大的抱怨：“设计一个30-KHz增益带宽积（GBW）的放大器已经够难的了，现在这个傻瓜想要我们设计成3-MHz的增益带宽积，但他却只是用来搭建一个30-KHz增益带宽积的电路！”然而，时间证明哈里是对的。但是哈里没有深入探讨这带来的一个次要问题振荡。当使用大开环增益的放大器来构建闭环电路时，有时会振荡。直至40年代人们才弄懂了个中原因，但是要解决这个问题需要经过冗长繁琐的计算，多年过去了也没有人能想出简单易懂的方法来。1945年，H.W.Bode提出了图形化方式分析反馈系统稳定性的方法。此前反馈的分析是通过乘除法来完成的，传函的计算十分费时费力，需要知道的是，直至70年代前工程师是没有计算器和计算机的。波特使用了对数的方法将复杂的数学计算转变成简单直观的图形分析，虽然设计反馈系统仍然很复杂，但不再是只被“暗室”里的少数电子工程师所掌握的“艺术”了。任何电子工程师都可以使用波特图去寻找反馈电路的稳定性，反馈的应用也得以迅速增长。世界上第一台计算机是模拟计算机！它使用预先编排的方程和输入数据来计算输出，因为这种“编程”是硬件连线的搭建一系列的电路，这种局限性最终导致了模拟计算机没能大面积应用开来。模拟计算机的心脏是一个叫做运算放大器（operationalamplifier）的东西，因为它能配置成对输入信号执行各种数学运算，如加、减、乘、除、积分和微分等，我们简称它为运放（opamp）。运放是一个有很大开环增益的放大器，当接上外部的被动元件形成闭环后，运放就可以执行各种数学运算了。当时它们是由电子管制造的，体积庞大，而且需要很高的供电电压，只有对于某些商业应用，这样的代价才是可以接受的。早期的运放是专门为模拟计算机设计的，但是人们很快就发现运放还有其他应用，而且非常的便利。当时，对于大学和一些大公司来说，模拟计算机是他们做研究的必备工具，除此之外，信号处理电路也用到了运放。后来，信号处理应用越来越广泛，对运放的需求超过了模拟计算机。当模拟计算机逐渐失宠，最终被数字计算机所取代后，运放依然流传了下来，因为它对模拟设计是如此的重要，并随着测量传感等应用的增长而增长。二、集成运放的典型精典应用电路电路1. 简单电感量测量装置在电子制作和设计，经常会用到不同参数的电感线圈，这些线圈的电感量不像电阻那么容易测量，有些数字万用表虽有电感测量挡，但测量范围很有限。该电路以谐振方法测量电感值，测量下限可达10nH，测量范围很宽，能满足正常情况下的电感量测量，电路结构简单，工作可靠稳定，适合于爱好者制作。一、电路工作原理电路原理如图1（a）所示。图1 简单电感测量装置该电路的核心器件是集成压控振荡器芯片MC1648，利用其压控特性在输出3脚产生频率信号，可间接测量待测电感LX值，测量精度极高。BB809是变容二极管，图中电位器VR1对+15V进行分压，调节该电位器可获得不同的电压输出，该电压通过R1加到变容二极管BB809上可获得不同的电容量。测量被测电感LX时，只需将LX接到图中A、B两点中，然后调节电位器VR1使电路谐振，在MC1648的3脚会输出一定频率的振荡信号，用频率计测量C点的频率值，就可通过计算得出LX值。电路谐振频率：f0=1/2LxC所以LX=1/42f2C。式中谐振频率f0即为MC1648的3脚输出频率值，C是电位器VR1调定的变容二极管的电容值，可见要计算LX的值还需先知道C值。为此需要对电位器VR1刻度与变容二极管的对应值作出校准。为了校准变容二极管与电位器之间的电容量，我们要再自制一个标准的方形RF（射频）电感线圈L0。如图67(b)所示，该标准线圈电感量为0.44H。校准时，将RF线圈L0接在图（a）的A、B两端，调节电位器VR1至不同的刻度位置，在C点可测量出相对应的测量值，再根据上面谐振公式可算出变容二极管在电位器VR1刻度盘不同刻度的电容量。附表给出了实测取样对应关系。二、元器件选择集成电路IC可选择Motoroia公司的VCO（压控振荡器）芯片。VR1选择多圈高精度电位器。其它元器件按电路图所示选择即可。三、制作与调试方法制作时，需在多圈电位器轴上自制一个刻度盘，并带上指针。RF标准线圈按图（b）所给尺寸自制。电路安装正确即可正常工作，调节电位器VR1取滑动的多个点与变容二极管的对应关系，可保证测量方便。该测量方法属于间接测量，但测量范围宽，测量准确，所以对电子爱好者和实验室检测电感量有可取之处。该装置若固定电感可变成一个可调频率的信号发生器。电路2. 红外线探测防盗报警器该报警器能探测人体发出的红外线，当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警声，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。一、电路工作原理 电路原理如图2所示。该装置由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路和音响报警电路等组成。红外线探测传感器IC1探测到前方人体辐射出的红外线信号时，由IC1的脚输出微弱的电信号，经三极管VT1等组成第一级放大电路放大，再通过C2输入到运算放大器IC2中进行高增益、低噪声放大，此时由IC2脚输出的信号已足够强。IC3作电压比较器，它的第脚由R10、VD1提供基准电压，当IC2脚输出的信号电压到达IC3的脚时，两个输入端的电压进行比较，此时IC3的脚由原来的高电平变为低电平。IC4为报警延时电路，R14和C6组成延时电路，其时间约为1分钟。当IC3的脚变为低电平时，C6通过VD2放电，此时IC4的脚变为低电平，它与IC4的脚基准电压进行比较，当它低于其基准电压时，IC4的脚变为高电平，VT2导通，讯响器BL通电发出报警声。人体的红外线信号消失后，IC3的脚又恢复高电平输出，此时VD2截止。由于C6两端的电压不能突变，故通过R14向C6缓慢充电，当C6两端的电压高于其基准电压时，IC4的脚才变为低电平，时间约为1分钟，即持续1分钟报警。由VT3、R20、C8组成开机延时电路，时间也约为1分钟，它的设置主要是防止使用者开机后立即报警，好让使用者有足够的时间离开监视现场，同时可防止停电后又来电时产生误报。该装置采用912V直流电源供电，由T降压，全桥U整流，C10滤波，检测电路采用IC578L06供电，交直流两用，自动无间断转换。图2 红外线探测防盗报警器电路图二、元器件选择IC1采用进口器件Q74，波长为910um。IC2采用运放LM358，具有高增益、低功耗。IC3、IC4为双电压比较器LM393，低功耗、低失调电压。其中C2、C5一定要用漏电极小的钽电容，否则调试会受到影响。R12是调整灵敏度的关键元件，应选用线性高精度密封型。其它元器件按电路图所示选择即可。三、制作和调试方法制作时，在IC1传感器的端面前安装菲涅尔透镜，因为人体的活动频率范围为0.110Hz，需要用菲涅尔透镜对人体活动频率倍增。安装无误，接上电源进行调试，让一个人在探测器前方710m处走动，调整电路中的R12，使讯响器报警即可。其它部分只要元器件质量良好且焊接无误，几乎不用调试即可正常工作。本机静态工作电流约10mA，接通电源约1分钟后进入守候状态，只要有人进入监视区便会报警，人离开后约1分钟停止报警。如果将讯响器改为继电器驱动其它装置即作为其它控制用。三、结论在生活中，集成运放有很多应用，比如上面列举的电感量测量装置和红外线探测报警装置。同时还有一些基本应用，比如：1、差动输入级 使运放具有尽可能高的输入电阻及共模抑制比。2、中间放大级 由多级直接耦合放大器组成，以获得足够高的电压增益。3、输出级 可使运放具有一定幅度的输出电压、输出电流和尽可能小的输出电阻。在输出过载时有自动保护作用以免损坏集成块。输出级一般为互补对称推挽电路。4、